空间目标红外偏振特性分析

牛继勇，李范鸣



空间目标红外偏振特性分析

牛继勇，李范鸣

（中国科学院上海技术物理研究所，中科院红外探测与成像技术重点实验室，上海 200083）

目标红外辐射包含自发辐射和反射辐射两部分，通过理论建模对目标自发辐射和反射辐射起偏机理进行分析，并得出两者的叠加将会引入消偏。空间目标偏振特性不仅与表面材料、观测角等因素有关，由于空间目标处在一个变动的辐射环境下，在日照区和阴影区，反射辐射和自发辐射的能量分布情况会相差很大，因此空间目标的红外偏振特性也会有较大的变化。对在不同的辐射环境下对空间目标的红外偏振特性进行了建模仿真分析，最后在实验室条件下，对空间目标常用材料进行红外偏振探测实验，并对实验数据进行分析得出结论。

空间目标；红外偏振特性；仿真建模

0 引言

光波的偏振参量携带区别于光强、相位、光谱的独有特征信息，偏振成像技术与传统光度学和辐射学探测技术相比，可以获取目标光学辐射的偏振强度值、偏振度、偏振角、偏振椭圆率和辐射率等参数，大大增加了被探测目标的信息量。红外偏振探测技术进一步拓展偏振探测的应用范围，如何将红外偏振探测技术应用到对空间目标的探测已经引起越来越多的人的关注。目标红外偏振特性受到目标表面的状态、材料以及观测角等因素影响[1-2]。

本文分别对目标红外自发辐射与反射辐射起偏机理进行了分析，结合空间目标的运行轨迹对空间目标的辐射环境进行了定性的分析，并以此为基础对空间目标在不同的辐射环境下的偏振特性进行了预期分析。最后在实验室条件下，对空间目标的一些常用材料进行了红外偏振特性分析，总结出一些结论，为后续的应用打下基础。

1 红外辐射起偏机理分析

光的偏振是指光矢量的振动相对于光传播方向的不对称性。对在可见光范围内，被测目标的偏振特性主要是有反射引起，但是在红外光谱波段，在分析空间目标红外偏振特性时，目标表现出的红外偏振特性是目标反射辐射以及自发辐射叠加的效果。

我们基于菲涅尔公式以及基尔霍夫定律实现对自发辐射和反射辐射偏振特性进行建模分析：我们通过引入复折射率，并根据Born和Wolf的理论，推导出光矢量中平行分量以及垂直分量的菲涅尔反射率，通过反射率我们可以得出反射辐射的偏振度表达式；由基尔霍夫定律可知，发射率等于吸收率，并且吸收率与反射率之和为1，通过发射率同样我们可以得出自发辐射的偏振度表达式。

图1是对光滑铝表面的红外偏振特性的建模分析，图1(a)为自发辐射发射率以及反射辐射反射率与观测角的关系曲线，图1(b)为自发辐射以及反射辐射偏振度与观测角的关系曲线。

图1 理想光滑铝偏振特性仿真曲线

由仿真结果知：对于红外反射辐射，平行分量反射率p(,,)和垂直分量反射率s(,,)的差异，引起了光的偏振效应；同样，对于红外自发辐射，由于平行分量发射率p(,,)和垂直分射率s(,,)的差异，引起了光的偏振效应。

在自发辐射中，由于发射率的差异，引起光矢量中平行分量强于垂直分量，但是对于反射辐射恰恰相反，因此两者的叠加就会引起消偏效应。通过偏振度与观测角的关系曲线，我们看到自发辐射偏振度随发射角是一个一直增加的过程，反射辐射偏振度随观测角是先增加后下降的过程。而目标红外辐射偏振特性是与两者的能量分布情况有关，图中仿真结果中的总偏振度是自发辐射与反射辐射能量相等时的情况[3-4]。

自发辐射与反射辐射偏振特性的叠加会引起消偏，消偏程度还要结合具体的光照条件以及目标温度等因素来考虑分析。在分析空间目标红外偏振特性时，应该结合反射辐射和自发辐射两方面进行考虑，由于空间目标所处的辐射环境是一个变动的环境，这也增加了对空间目标红外偏振特性分析的难度。在第2部分将做一些简单的分析。

2 空间目标辐射环境分析

通过前面的起偏机理分析，我们发现红外自发辐射以及反射辐射都会引起光的偏振现象，并且两者的叠加效果会引起消偏，因此空间目标总偏振特性就要归结到两种辐射在目标红外辐射中的分布情况，这与空间目标所处的辐射环境具有密切的关系。

空间目标的自发辐射强度主要取决于目标表面本身的温度，对空间目标表面加热的热源包括内、外热源2大部分。内热源是指目标表壳内对目标加热的，外热源也就是外界的红外辐射，主要是指地球和太阳，以及宇宙空间其他星体对空间目标的辐射，加热方式主要有太阳直接辐射、地球热辐射、地球反射辐射以及月亮星体辐射等[5-6]。

反射辐射的强度与外界辐射的辐射强度有密切的关系，即与外热源有直接的关系。图2是空间目标表面与空间目标辐射环境的关系。

图2 空间目标与空间目标辐射环境

月亮星体的影响较小，我们可以忽略，在日照区，卫星的表面辐射状态与太阳、地球和卫星三者之间的位置密切相关，太阳辐射、地球红外辐射是空间目标主要的外部热源，它们对空间目标的辐射分布的影响较大，卫星反射的太阳辐射和地球红外辐射的辐照度大于空间目标自身的红外辐射辐照度[7]，故此时在对空间目标偏振特性进行分析时，反射辐射的偏振特性是我们着重考虑的。图3左图是我们以自发辐射与反射辐射的比重系数为0.3时的仿真曲线，此时空间目标是自发辐射偏振特性占据主导地位，但是反射辐射的消偏作用，偏振度与观测角的变化趋势有一定改变。

在地球阴影区，卫星接收的太阳辐射为零，对卫星表面温度有影响的只有地球自身的红外辐射，在空间目标红外辐射特性中占主要因素的不是这部分辐射，而是空间目标自身的加热而产生的红外辐射[6]。故此时在对空间目标偏振特性进行分析时，自发辐射的偏振特性是我们着重考虑的。图3右图是我们以反射辐射与自发辐射的比重系数为0.3时的仿真曲线，此时空间目标是反射辐射偏振特性占据主导地位，但是自发辐射的消偏作用，偏振度与观测角的变化趋势有一定改变。

3 空间目标红外偏振特性的分析

我们选取了4种空间目标样品材料：银色镀铝聚酯薄膜、黄色镀铝聚酰亚胺薄膜、聚酰亚胺黑色薄膜以及卫星太阳能电池板，如图4所示。通过上述辐射环境对偏振特性的影响因素分析，我们知道目标的红外偏振特性是由自发辐射以及反射辐射偏振特性的叠加，在进行空间目标常用材料的红外偏振特性测量时，我们设定了如下测试条件：实验背景温度为29℃；探测距离为0.7m；卫星材料目标样板加热到65℃。

如图5所示是制作的探测目标，将4种空间目标材料贴敷于一加热片上，采用中波红外分时偏振探测系统对其进行红外偏振成像，观测角度为55°。在目标灰度图中，由于聚酰亚胺黑色薄膜发射率高，因此灰度值明显偏高，并且很难与加热片进行区分，太阳能电池板次之，黄色以及黑色薄膜难以分辨；在目标偏振度图中，黑色聚酰亚胺膜偏振度较高，并且黄色以及黑色薄膜也有较好的区分，3种薄膜材料的偏振度从大到小依次为：黑色聚酰亚胺膜、银色镀铝聚酯薄膜、黄色镀铝聚酰亚胺薄膜。

图3 不同辐射环境下，空间目标偏振度与观测角的关系曲线

图4 空间目标样品材料

Fig.4 Space target samples

图5 空间目标样品成像实验

Fig.5 The images of space target samples

我们在不同的观测角度下，进行了测试实验，图6是4种卫星材料偏振度与观测角的关系曲线。

图6 空间目标样品偏振度与观测角的关系曲线图

在实验室条件下，对空间目标常用材料进行了定量的测量分析，我们发现：在小观测角度下，4种材料的偏振度都较小，不易区分；观测角逐步增大，聚酰亚胺黑色薄膜、太阳能电池板以及黄色镀铝聚酰亚胺薄膜偏振度都有增加的趋势，其中黑色聚酰亚胺薄膜偏振度增幅明显；银色镀铝薄膜偏振度随观测角先增加后减小，偏振度值一直维持在较小的范围内。通过图6的实验数据，我们发现与理论建模分析的数值有一定的差异，初步分析原因可能有如下几点：首先，目标材料的实际折射率与建模所带入的值并不一致；其次，建模是对理想光滑表面的分析，而实际目标材料显然不是理想光滑的；第三，目标的总红外偏振特性是与自发辐射和反射辐射共同决定的，它们在总辐射能量中权重我们很难确定；最后，测量误差的存在。

4 结论

红外偏振探测作为强度探测的有力补充，越来越引起人们的关注。与可见光不同，由于红外辐射包括反射辐射和自发辐射，而且两者的叠加效果会引起消偏，因此目标红外偏振特性不仅与目标材料观测角以及表面状态有关，还与辐射中反射辐射与自发辐射的能量分布有关。

通过实验数据的分析，发现不同空间目标常用材料之间偏振特性存在较为明显差异性，并且随观测角有规律性的变化，即目标偏振特性是由观测角以及材料本身的性质决定。这种不同材料之间偏振特性的差异性，为后续空间目标的区分识别提供依据，并且卫星太阳能电池板的角度随卫星姿态变化明显，因此通过太阳能电池板偏振度估算卫星姿态具有一定的可行性。

[1] 牛继勇, 李范鸣, 马利祥. 目标红外偏振探测原理及特性分析[J].红外技术, 2014, 36(3): 215-220.

[2] 赵劲松. 偏振成像技术的进展[J]. 红外技术, 2013, 35(12): 743-750.

[3] Oscar Sandus. A Review of Emission Polarization[J].(S0003-6935) , 1965, 4(12):1634-1642.

[4] Lawrence B.Woff, Andrew Lundberg, Renjie Tang. Image understanding from thermal emission polarization[C]//,,, Jun 23-25 1998: 625-631.

[5] 韩玉阁, 宣益民. 卫星的红外辐射特征研究[J]. 红外与激光工程, 2005, 34(1): 34-37.

[6] SUN Cheng-ming, YUAN Yan,. ZHANG Xiu-bao. Application of BRDF for modeling on the optical scattering characteristics of space target[J]., 2009, 7383:738338. doi: 10.1117/12.835569.

[7] 李鸣, 杜小平. 空间目标红外辐射特性分析[J]. 飞行设计, 2011, 31(1): 67-70.

Analysis to Infrared Polarization Characteristics of Space Targets

NIU Ji-yong，LI Fan-ming

（，，200083，）

The infrared radiation of targets includes spontaneous radiation and reflected radiation. We analyzed the infrared polarization mechanism based on some theoretical simulation models of spontaneous and reflected radiation, and found the superposition of them leading to depolarization effect. The infrared polarization characteristics of space targets is influenced by materials and view angle, due to the radiation environment of space target is varying with the time. And in the sunshine and shadow regions, the energy distribution between spontaneous and reflected radiation varies greatly, so the infrared polarization characteristics of space targets will have great changes. We created an experimental environment of low temperature and reflected radiation to simulate the environment of shadow regions, and carried out experimental validation and analysis.

space targets，infrared polarization characteristics，modeling and simulation

TN219

A

1001-8891(2015)03-0200-04

2014-08-29；

2014-09-29.

牛继勇(1989-)，男，山东临朐人，博士研究生，主要从事红外偏振探测技术研究。E-mail：njy123@mail.ustc.edu.cn。

国家十二五国防预研项目，编号：41101050501；中国科学院上海技术物理研究所创新专项基金，编号：Q-ZY-85。